应用简报 环境 使用 GC/MS/MS 分析饮用水中的亚硝胺类化合物 满足 EPA 方法 521 的等效性 使用 Agilent 71 和 7 三重四极杆气质联用系统 作者 Andy Eaton Charles Grady 和 Konjit Tadigo Eurofins Eaton Analytical, Monrovia, CA, USA Yongtao Li 和 William Davis Eurofins Eaton Analytical, South Bend, IN, USA Ralph Hindle Vogon 实验室, Cochrane, AB, Canada Diana Wong Ron Honnold 和 Craig Marvin 安捷伦科技有限公司 摘要 Eurofins Eaton Analytical- 安捷伦方法 521.1(EEA- 安捷伦方法 521.1) 以使用电子电离 (EI) 模式下的三重四极杆 GC/MS (GC/MS/MS) 对饮用水中亚硝胺类化合物进行的多实验室研究为基础开发而来 1 目前, 离子阱 GC/MS (GC/IT) 是美国国家环境保护局 (EPA) 方法 521 推荐的技术, 但该技术现已过时 只要样品前处理步骤不变,EPA 也可采用其他检测方法 在 EPA 方法 521 中, 对分析物添加 N- 亚硝基吗啉 (NMOR) 进行研究 研究分为两个阶段 在第 I 阶段, 实验室 A 证明与经过批准的 GC/IT 相比,GC/MS/MS 能够获得更低的最低浓度最小报告限值 (LCMRL) 和检测限 (DL) GC/MS/MS 还具有更少的进样量和更短的分析时间 对大量实际样品中的亚硝胺类化合物进行分析后发现,GC/MS/MS 与 GC/IT 呈现了良好的相关性 在第 II 阶段中, 实验室 A 萃取 LCMRL 样品 (32) 并分发至实验室 B 与实验室 C, 分别采用 Agilent 71 和 7 GC/MS/MS 系统进行验证 71 和 7 GC/MS/MS 的结果均优于方法 521 中的 LCMRL 和 DL 要求 获得的线性校准曲线 R 2 >.99 方法性能经过三个不同实验室的验证并获得了 EPA 对方法等效性的书面批准
前言 亚硝胺类化合物, 特别是亚硝基二甲胺 (NDMA), 是存在于饮用水中的污染物, 这类物质对健康的潜在威胁引发了环保团体的关注 2 工业来源污染( 如火箭燃料生产中产生的直接污染物 ) 将产生高浓度的 NDMA 此外,NDMA 也是饮用水和废水进行氯化 氯胺化和臭氧化消毒的副产物 3 EPA 方法 521 (25) 是一种测定饮用水中亚硝胺类化合物的方法 4 GC/IT 是方法 521 中使用的仪器, 但这项技术已经过时 EPA 地下水和饮用水办公室 (OGWDW) 考虑在不改变样品前处理指南和灵敏度标准的前提下, 替换为其他检测技术 EEA- 安捷伦方法 521.1 使用三重四极杆 GC/MS (GC/MS/MS) 作为替代技术进行开发, 并经过了两部分的研究 在研究第 I 阶段, 实验室 A 比较了 GC/IT 与 GC/MS/MS 的性能 在第 II 阶段中, 实验室 A 将样品萃取物分发给实验室 B 和实验室 C, 按照 EPA 方案采用 GC/MS/MS 进行三实验室验证研究 使用 GC/MS/MS 对方法 521 中列出的亚硝胺类化合物以及其他 NMOR( 表 1) 进行了 LCMRL 与 DL 评估 4 71 和 7 GC/MS/MS 系统分别配备了高效离子源 (HES) 和 Extractor 离子源 71 HES 是一种全新设计的离子源, 产生的离子是 7 Extractor 离子源的 2 倍, 灵敏度大大提高 ( 图 1) 在第 II 阶段中对这两种离子源进行研究, 以确定满足方法 521 中的 LCMRL 和 DL 要求是否需要 HES 表 1. EEA- 安捷伦方法 521.1 中研究的亚硝胺类化合物 分析物 本应用简报将介绍 EEA- 安捷伦方法 521.1 的开发, 该方法利用 GC/MS/MS 技术以电子电离 (EI) 模式代替方法 521 中指定的 CI 模式, 对饮用水中的亚硝胺类化合物进行测定 方法 521 中与样品前处理和质量控制相关的程序和指南不发生改变 4 化学文摘社 (CAS) 登记号 N- 亚硝基二甲胺 (NDMA) 62-75-9 N- 亚硝基甲基乙胺 (NMEA) 1595-95-6 N- 亚硝基二乙胺 (NDEA) 55-18-5 N- 亚硝基二正丙胺 (NDPA) 621-64-7 N- 亚硝基吗啉 (NMOR) 59-89-2 N- 亚硝基吡咯烷 (NPYR) 93-55-2 N- 亚硝基哌啶 (NPIP) 1-75-4 N- 亚硝基二正丁胺 (NDBA) 924-16-3 实验室 A 和实验室 B 71 GC/MS/MS 高效离子源 实验室 C 7 GC/MS/MS Extractor 离子源 图 1. 71 和 7 GC/MS/MS 系统的离子源设计 7 GC/MS/MS 配备 Extractor 离子源 71 GC/MS/MS 配备高效离子源 2
实验部分 样品前处理样品前处理的详细说明见 EEA- 安捷伦方法 521.1 1,4 将水样通过含椰壳活性炭的固相萃取 (SPE) 柱, 萃取出分析物和替代物, 并用二氯甲烷洗脱 将二氯甲烷萃取液浓缩致干, 之后添加内标 使用 GC/MS/MS 或 GC/IT 对样品组分进行分离 鉴定和分析 GC/MS/MS 系统 Agilent 71 GC/MS/MS 和 7 GC/MS/MS 系统各包含一台 Agilent 789 气相色谱仪 (GC), 分别配备 71 和 7 三重四极杆质谱检测器 两台系统均配备 7693 自动液体进样器 (ALS) 和多模式进样口 (MMI) 不同实验室间的进样口温度与参数互不相同 实验室 A 采用不分流程序升温进样 实验室 B 采用不分流恒温进样 实验室 C 采用脉冲不分流恒温进样表 2 4 分别列出了进样器 GC 和 MSD 参数 表 5 列出了所有亚硝胺类化合物分析的多反应模式 (MRM) 离子对以及最佳碰撞能量 第 I 阶段 :GC/IT 与 GC/MS/MS 对比 实验室 A 对水样进行萃取, 并将样品萃取物进样至 Varian 4 GC/IT 和 71 GC/MS/MS 进行对比 EPA 方法 521.4 中详细描述了 GC-IT 参数 GC/MS/MS 配置 第 II 阶段 : 使用 GC/MS/MS 进行实验室间验证研究 实验室 A 对水样进行萃取并将萃取物分发至实验室 B 和 C 进行方法验证 实验室 A 和 B 使用 71 GC/MS/MS 对方法进行了验证 实验室 C 使用 7 GC/MS/MS 对方法进行了验证 自动 不分流 液体进样器 1 µl 进样量 35 C (.1 min), 以 1 C/min 升至 28 C, 然后保持 28 C 恒流 1.2 ml/min 多模式进样口 (MMI) 气相色谱 EI MS/MS 柱温箱 DB-171ms 3 m.25 mm, 膜厚 1. µm 氦气载气 离子源 离子源 : 28 C 四极杆 : 15 C 传输线 : 28 C 运行时间 :15 min 图 2. GC/MS/MS 系统配置 图中所示为实验室 A 的进样器参数 除进样口参数外, 所有实验室采用相同的 GC/MS/MS 配置 3
GC/MS/MS 参数 表 2. 进样器参数 进样口 参数 多模式进样口 设定值 衬管不分流双锥形超高惰性衬管 ( 部件号 519-3983) * 进样量 1 µl 粘度延迟 载气 2 s 氦气 模式 * 不分流或脉冲不分流 * 温度 * 程序升温或恒温 * 压力 总流速 隔垫吹扫流速 8.98 psi 14.2 ml/min 3 ml/min 分流出口吹扫流速 1 ml/min(.8 min 时 ) 实验室 A 衬管 2 mm 浅凹坑不分流超高惰性衬管 ( 部件号 519-2297) 温度 35 C( 保持.1 min) 速率 1: 以 1 C/min 升至 28 C 表 3. 气相色谱参数 参数 设定值 色谱柱 DB-171( 部件号 122-733) 色谱柱固定相 14% 氰丙基苯基,86% 二甲基聚硅氧烷 色谱柱规格 3 m 长 25 µm 直径, 膜厚 1 µm 色谱柱配置 流速 柱温箱温度 平衡时间 表 4. MSD 参数 离子源 参数 进样口到质谱检测器 1.2 ml/min 初始 :33 C( 保持 1 min) 速率 1: 以 35 C/min 升至 8 C( 保持 2 min) 速率 2: 以 1 C/min 升至 14 C 速率 3: 以 5 C/min 升至 28 C( 保持 2 min) 3 5 min 离子源温度 28 C 四极杆 1 温度 15 C EI 设定值 模式 不分流 四极杆 2 温度 15 C 实验室 B 传输线温度 26 28 C 温度 26 28 C 淬灭气体 氦气,4 ml/min 模式 不分流 碰撞气体 氮气,1.5 ml/min 实验室 C 溶剂延迟 5.5 min 温度 26 28 C 增益 3. 模式 脉冲不分流 峰宽.5 进样脉冲压力 4 psi, 持续至.75 min 电子能量 7 ev * 参见实验室 A 实验室 B 和实验室 C 的衬管 模式和温度设置 4
表 5. GC/MS/MS 在 EI 模式下的方法分析物定量的保留时间 建议 MRM 离子对和碰撞能量 分析物 保留时间 (min) a 片段 保留时间窗口 (min) 母离子 (m/z) b 子离子 (m/z) b CE c d 分辨率 驻留时间 (ms) e NDMA-d6 (SUR) 7.2 1 5.8 7.6 NDMA 7.5 1 5.8 7.6 NMEA 8.58 2 7.6 9. NDEA 9.79 3 9. 11.4 NDPA-d14 (IS) 11.78 4 11.4 11.9 NDPA 11.83 4 11.4 11.9 NMOR 12.9 5 11.9 12.15 8 5 8 Unit/Wide 75 8 46 25 Unit/Wide 75 74 44 6 Wide/Wide 75 74 42 22 Wide/Wide 75 88 71 4 Wide/Wide 15 88 42 23 Wide/Wide 15 12 85 4 Wide/Wide 15 12 44 12 Wide/Wide 15 144 126 1 Unit/Unit 5 144 5 2 Unit/Unit 5 13 43 1 Wide/Wide 1 11 7 1 Wide/Wide 1 116 86 2 Wide/Wide 15 116 56 15 Wide/Wide 15 1 55 7 Unit/Wide 1 NPYR 12.3 6 12.15 12.28 1 7 7 Unit/Wide 1 1 43 1 Unit/Wide 1 NPIP 12.59 7 12.28 12.62 114 84 7 Wide/Wide 15 114 55 25 Wide/Wide 15 158 141 1 Wide/Wide 1 NDBA 12.89 8 12.62 13.8 158 99 1 Wide/Wide 1 116 99 1 Wide/Wide 1 a b c d e 按照表 2 4 中列出的参数在 71 GC/MS/MS 上获得的保留时间 采用恒温进样条件 不同仪器的绝对保留时间可能有细微差别 根据结构重要性和离子丰度选择母离子和子离子对 将丰度最高的离子选为定量离子 根据离子丰度优化碰撞能量 (CE), 不同仪器可能有细微差别 MS 的 Unit 和 Wide 分辨率中半峰宽分别为.7 和 1.2 amu 调整驻留时间, 使每秒大约进行 3.3 次循环 驻留时间在定量离子和定性离子之间可能会不同, 不同仪器之间也会有所变化 5
结果与讨论 第 I 阶段 :GC/IT 与 GC/MS/MS 对比在分析饮用水中的亚硝胺类化合物时, GC/MS/MS 比 GC/IT 更具优势 采用 GC/MS/MS 可获得更快的分析速度, 最后一个化合物 NDBA 在 12.9 分钟即可洗脱出来, 相比之下, 采用 GC/IT 需要 3.5 分钟 ( 图 3) 与 GC/IT 相比, GC/MS/MS 的分析时间更短, 可使实验室运行效率提高 2 3 倍 DB-171 色谱柱可在 GC/MS/MS 上实现 NDPA NPYR 和 NMOR 的基线分离, 而这在 GC/IT 中仍是一项挑战 从 GC/IT 的 1 2 µl 到 GC/MS/MS 的 1 µl, 更低的进样量可降低基质污染, 减少维护, 延长正常运行时间 使用 EI 代替 CI, 增加易用性和可靠性 GC/MS/MS 的高灵敏度能够实现萃取水样中亚硝胺类化合物的低浓度分析 ( 图 4) 在定量分析实际萃取水样中的亚硝胺类化合物时,GC/IT 和 GC/MS/MS 之间具有优异的相关性 图 5A 为实际水样分析中 NDMA 的相关性示例 图 5B 为从水样中萃取的 NDMA 的校准相关性 使用 GC/MS/MS 可以获得更低的 LCMRL 和 DL( 图 6) 响应 2 15 1 5 A GC/IT:4 ng/l 亚硝胺类化合物的校准液 1 2 3 采集时间 (min) 1 5 B 6.4 6. GC/MS/MS:4 ng/l 亚硝胺类化合物的校准液 5.6 5.2 4.8 4.4 4. NPYR 12.2 min 3.6 3.2 NDMA NMOR 7. min 12.1 min 2.8 2.4 2. NMEA NDPA 1.6 8.6 min NDEA 11.8 min 1.2 9.8 min NDPA-d14.8 11.78 min.4 响应 NMEA NDMA 12.9 min NDEA 15.8 min 9.5 min NDPA-d14 22.8 min NPYR 23.2 min NDPA 23.1 min NMOR 23.3 min NPIP 25. min NDBA 3.5 min NPIP 12.4 min NDBA 12.9 min 5.8 6.4 7. 7.6 8.2 8.8 9.4 1. 1.6 11.2 11.8 12.4 13. 13.6 采集时间 (min) 图 3. A) GC/IT:4 ng/l 亚硝胺类化合物的校准液 B) GC/MS/MS:4 ng/l 亚硝胺类化合物的校准液 GC/IT 参数参照方法 521 4 GC/MS/MS 参数如表 2 5 所示 响应 1 4 2. GC/MS/MS: 水样提取物中的 5 ng/l 亚硝胺类化合物 1.9 1.8 1.7 NDMA 1.6 7. min 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1..9.8.7.6.5.4.3.2.1 NMEA 8.6 min NDEA 9.8 min NPYR 12.2 min NMOR 12.1 min NPIP 12.4 min NDBA 12.9 min NDPA 11.8 min 6.8 7.2 7.8 8. 8.4 8.8 9.2 9.6 1. 1.4 1.8 11.2 11.6 12. 12.4 12.8 13.2 13.6 采集时间 (min) 图 4. 水样中萃取的.5 ng/l 亚硝胺类化合物的定量离子 MRM 6
GC/MS/MS 结果 (ng/l) 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 A NDMA B GC/MS/MS 与 GC/IT 的 NDMA 对比 12 NDMA y = 1.16x 3.93 R 2 =.9915 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 GC/IT 结果 (ng/l) 浓度 (ng/l) 1 8 6 4 2 1.99 2. 4.6 4. 9.48 1.4 21.32 2.15 2 4 1 2 加标浓度 (ng/l) 38.79 39.46 1.31 1.34 4 1 GC/IT GC/MS/MS 图 5. 实际水样萃取物中 NDMA 的 GC/MS/MS 分析结果与 GC/IT 分析结果的相关性 (A) 以及萃取水样的校准 (B) 使用相同的停留时间 标样 萃取流程和混合物通 过 GC/MS/MS 和 GC/IT 对水样进行萃取和分析 A LCMRL (GC/IT 与 GC/MS/MS) 7 6.4 6.6 n/a n/a GC/IT GC/MS/MS 6 5 浓度 (ng/l) 4 3 2 2 4.2 2.8 2.3 1.12 NDMA.48.52.32.34.34.46.12 NMEA NDEA NDPA NMOR NPYR NPIP NDBA B.7 检测限 (GC/IT 与 GC/MS/MS).66 n/a n/a GC/IT GC/MS/MS.6.6 浓度 (ng/l).5.4.3.2.1.46.41.3.32.26.25 2.16.15.1.93.37.49 NDMA NMEA NDEA NDPA NMOR NPYR NPIP NDBA 图 6. 使用 71 GC/MS/MS 和 Varian 4 GC/IT 获得的最低浓度最小报告限值 (A) 和检测限 (B) 对比 用 于计算 LCMRL 和 DL 的加标浓度范围为.1 1 ng/l n/a 表示 LCMRL 和 DL 高于最高加标浓度, 或加标浓 度超过了 NMOR 和 NPYR 的工作范围 7
第 II 阶段 : 实验室间验证研究 71 和 7 GC/MS/MS 系统均能满足甚至超出本研究中亚硝胺类化合物分析所需的灵敏度要求 对于实验室间验证研究, 实验室 A 萃取了试剂加标水样并将萃取物分发到实验室 B 和 C, 分别采用 71 GC/MS/MS 和 7 GC/MS/MS 进行分析 图 7A 和图 7B 为三个实验室分析的每种亚硝胺类化合物的 LCMRL 和 DL 数据图 71 GC/MS/MS 的 LCMRL 在.12.67 ng/l 范围内,7 GC/MS/MS 的 LCMRL 在.33 1.2 ng/l 范围内 ( 图 7A), 均低于方法 521 中 1.2 2.1 ng/l 的 LCMRL 范围 多实验室验证研究中,71 GC/MS/MS 系统的 DL 在.37.46 ng/ml 范围内,7 GC/MS/MS 系统的 DL 在.12.6 ng/l 范围内, 均低于方法 521 中.26.66 ng/l 的 DL 范围 ( 图 7B) 在 71 和 7 GC/MS/MS 系统上对.625 1 ng/l 范围内的 11 个校准点进行线性曲线拟合, 均获得了 R 2 >.99 的线性结果 ( 表 6) 71 和 7 GC/MS/MS 系统均满足 LCMRL 和 DL 的要求 71 GC/MS/MS 能够获得的 LCMRL 和 DL 低于 7 GC/MS/MS EEA- 安捷伦方法 521.1 在进样上更具灵活性 实验室 A B C 分别采用了程序升温不分流 恒温不分流以及恒温脉冲不分流模式 实验室 A 采用 2 mm 浅凹坑不分流超高惰性衬管, 而实验室 B 和 C 采用 4 mm 双锥形不分流超高惰性衬管 尽管三个实验室采用了不同的进样参数和衬管, 但所有实验室以及 71 和 7 GC/MS/MS 系统均可满足 LCMRL 和 DL 要求 浓度 (ng/l) 浓度 (ng/l) 2.5 2. 1.5 1..5.7.6.5.4.3.2.1 A.12 NDMA NMEA NDEA NDPA NMOR NPYR NPIP NDBA B.37.67.31 LCMRL 1 检测限.59.48.27.33.1.13.12.12.49.36.6.25.31 表 6. 实验室间验证比对的校准曲线线性 *.52.59.16.36.9.45 分析物 71 实验室 A 71 实验室 B 7 实验室 C NDMA.9999.9979.9935 NMEA.9999.9983.9988 NDEA.9999.9993.9986 NDPA.9998.9987.9965 NMOR 1..9993.9992 NPYR.9981.9994.9976 NPIP.9999.9993.9979 NDBA.9996.999.9985 * R 2 通过 11 个校准点 (.625.125.25.5 1. 2. 4. 1 2 4 1 ng/l) 的线性曲线拟合和 1/x 加权进行计算.32.33 71 实验室 A 71 实验室 B 7 实验室 C NDMA NMEA NDEA NDPA NMOR NPYR NPIP NDBA.8.15.13.14.34.49.26.2 1.1.3.34.43.34.93.18.17.46.55 图 7. 实验室间验证研究得到的 LCMRL 和 DL 除实验室 C 的 NDMA 外, 三个实验室的 LCMRL 和 DL 均由 实验室加标空白 (LFB) 测得, 其中分析物加标浓度依次为.1.25.5 1. 2. 3. 4. 5. 8. 1. ng/l( 每个浓度 n = 4) 实验室 C 的 NDMA 由 1. 2. 3. 4. 5. 8. 1. ng/l 分析物 ( 每 个浓度 n = 4) 的 LFB 加标浓度测得 实验室 A 和实验室 B 的 LCMRL 和 DL 数据由 71 GC/MS/MS 获得 实验室 C 的数据由 7 GC/MS/MS 获得.46.39 1.2.6 8
结论 EEA- 安捷伦方法 521.1 提供了一种用于饮用水中亚硝胺类化合物分析的流程, 本方法使用 GC/MS/MS 技术代替了经批准但已过时的 GC/IT 技术 在对实际水样进行分析和校准时,GC/MS/MS 和 GC-IT 表现了良好的相关性 如分发样品组的实验室间验证研究结果所示,71 和 7 GC/MS/MS 系统可轻松满足 LCMRL 和 DL 要求, 且进样量更低 分析时间更短, 并对分析物实现基线完全分离 GC/MS/MS 方法稳定, 衬管选择和参数设置灵活, 可以满足 LCMRL 和 DL 要求 基于这些数据,EPA 已经正式批准使用该方法代替 GC/IT 进行亚硝胺类化合物的分析 1 参考文献 1. Letter of Equivalency for EEA-Agilent 521.1 for The Analysis of Nitrosamines in Drinking Water by GC/MS/MS. U.S. EPA Letter March 13, 218 2. Magee, P. N. Toxicity of Nitrosamines: Their Possible Human Health Hazards. Food Cosmet. Toxicol. 1971, 9(2), 27-218 3. Mitch, W. A.; et al. N-Nitrosodimethylamine (NDMA) as a Drinking Water Contaminant: A Review. Environ. Eng. Sci. 23, 2(5), 389-44 4. Munch, J. W. Method 521: Determination Of Nitrosamines In Drinking Water By Solid Phase Extraction And Capillary Column Gas Chromatography With Large Volume Injection And Chemical Ionization Tandem Mass Spectrometry (MS/MS). U.S. Environmental Protection Agency, Washington D.C. 25 9
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